Свято-Димитриевский храм в Новочеркасске был основан как деревянная кладбищенская церковь во имя святого великомученика Димитрия Солунского с приделом пророка Илии. Освящение состоялось осенью 1810 года на территории городского кладбища, где ранее уже существовали временные деревянные храмы - Александро-Невский и Троицкий. При церкви были возведены деревянная колокольня и дощатая ограда.
В 1821 году священник Иосиф Персиянов докладывал Войсковой канцелярии о ветхом состоянии ограды и необходимости ремонта стен храма, пропускавших ветер и влагу. По решению канцелярии архитектор К.С. Амвросимов осуществил необходимые исправления. Деревянная церковь просуществовала до 1861 года, когда была заменена каменным зданием.
Строительство каменного храма началось в 1857 году по инициативе наказного атамана М.Г. Хомутова и архиепископа Донского и Новочеркасского Иоанна. Проект в стиле русской храмовой архитектуры разработал академик И.О. Вальпреде. Финансирование осуществлялось за счет средств Войска Донского и частных благотворителей. Основные строительные работы завершились в 1859 году, храм сохранил двухпрестольную структуру - главный престол во имя Димитрия Солунского и придел пророка Илии.
В 1900-1901 годах при храме была построена кирпичная церковно-приходская школа, освященная архиепископом Афанасием. При школе действовал хор, проводились религиозно-нравственные чтения, в 1902 году учреждено Димитриевское братство, занимавшееся просветительской деятельностью. На кладбище при храме находились захоронения видных деятелей Дона, включая атамана А.М. Каледина, историка В. Сухорукова, генералов Хрещатицкого и Лютенскова.
В период советской власти храм не закрывался, оставаясь действующим. В 1948 году сохранились документы, свидетельствующие о финансовых трудностях прихода, связанных с завышенной оценкой здания для налогообложения. В 1997 году храм был официально передан в собственность прихода. В 1999 году проведены ремонтные работы, установлены шесть новых колоколов, произведено золочение крестов.